смеси равно 15 мм рт. ст. (при парциальных давлениях CO2 : N2 : He = = 1 : 1 : 8), время жизни верхнего лазерного уровня составляет τs = 0,4 мс. Нижний лазерный уровень 1000 генерационного перехода 0001→1000 имеет малое время релаксации в силу сильной связи с деформационным колебанием 0200 и, тем самым, с колебанием 0100. Внутри одной колебательной моды столкновительный обмен энергий в силу малости дефицита энергии происходит очень быстро, практически за одно газокинетическое столкновение. Важное значение имеет также высокая теплопроводность гелия, способствующего поддержанию низкой температуры СО2 за счет отвода теплоты к стенкам газоразрядной трубки. Низкая температура необходима для того, чтобы избежать заселения нижнего лазерного уровня за счет теплового возбуждения.

Таким образом, азот способствует заселению верхнего энергетического уровня СО2-лазера, а гелий – обеднению нижнего.

Конструктивно СО2-лазеры можно разделить на семь типов: 1) лазеры с медленной продольной прокачкой; 2) лазеры с быстрой продольной прокачкой; 3) отпаянные лазеры; 4) волноводные лазеры; 5) лазеры с поперечной прокачкой; 6) лазеры с поперечным возбуждением при атмосферным давлении (ТЕА-лазеры); 7) газодинамические лазеры. По многим рабочим параметрам эти лазеры сильно отличаются друг от друга, имея при этом высокий дифференциальный КПД (15–25 %), что является следствием большого квантового выхода (до 40 %) и очень высокоэффективного процесса накачки.

5.2.4.Другие газовые и жидкостные лазеры

Внастоящее время в мире выпускается огромное количество разнообразных газовых и жидкостных лазеров с различными техническими параметрами. Длины волн излучений таких лазеров перекрывают весь оптический диапазон (от вакуумного УФ до дальнего ИК).

Вэтом разделе приводится краткое описание принципа действия и технические параметры наиболее применяемых газовых и жидкостных лазеров.

Реализация генерации в СО-лазере осуществляется на колебательновращательных уровнях X1Σ+ основного электронного состояния, которые представляются как эквидистантные энергетические уровни.

85

Главной привлекательностью такого лазера является то, что он генерирует на более короткой, чем СО2-лазер, длине волны (около 5 мкм), а также имеет высокую выходную мощность (до 100 кВт) при КПД – 70 %. Другая важная особенность молекул СО состоит в том, что скорость коле- бательно-колебательной релаксации существенно больше, чем колеба- тельно-вращательной релаксации из-за ангармонической накачки. Вследствие этого населенность высоколежащих колебательных уровней не будет подчиняться больцмановскому распределению, что не дает получения полной инверсии населенностей, а выполняется частичная инверсия населенностей. Генерация, возникающая при частичной инверсии населенностей, называется каскадной генерацией. Процесс каскадного взаимодействия с очень низкой скоростью колебательно-вращательной релаксации приводит к тому, что большая часть колебательной энергии переходит в энергию выходного излучения лазера. Данное обстоятельство, а также высокая эффективность возбуждения обусловливают высокий КПД СО-лазера.

Генерация азотного лазера происходит на электронно-колебатель- ных переходах между верхнем C3Πu и нижнем B3Πg уровнями при обеспечении накачки из основного состояния X1Σ+ на C3Πu состояние. Поскольку состояния C3Πu и B3Πg являются триплетными, генерация может происходить на нескольких колебательно-вращательных переходах с разными ин-

тенсивностями, а именно: v’’ (0) → v’(0) (λ = 337,1 нм), v’’ (1) → v’ (0) (λ = 357,7 нм) и v’’ (0) → v’(1) (λ = 315,9 нм). Наиболее интенсивная из них генерация на переходе v’’ (0) → v’ (0) с длиной волны λ = 337,1 нм. Время жизни C3Πu состояния равно 40 нс, тогда как время жизни B3Πg – 10 мкс. Это означает, что не выполняется условие τ1 < τ21, следовательно, лазер не может работать в непрерывном режиме, а для устойчивой работы в импульсном режиме необходимо, чтобы длительность возбуждающих электрических импульсов было значительно меньше 40 нс. Поскольку время жизни нижнего уровня (B3Πg) довольно большое, азотный лазер работает на самоограниченных переходах, имеет высокий коэффициент усиления и может работать без зеркал. Однако с целью уменьшения пороговой мощности и получения наименьшей расходимости излучения часто применяют резонаторные зеркала. При плотности мощности накачки 5 кВт/см2 достигается мощность импульса генерации 1 МВт в импульсе длительностью 10 нс и частоте повторения импульсов до 100 Гц.

86

Эксимерные лазеры представляют собой новый класс молекулярных лазеров, работающих на переходах между различными электронными состояниями, это означает, что излучения нужно ожидать в ВУФ- и УФ-облас- тях спектра.

Эксимерные молекулы – это молекулы, в которых атомы инертного газа (например, Ar, Kr, Xe) в возбужденном состоянии соединяется с атомом галогена (например F, Cl). Это означает, что основное состояние эксимерных молекул либо чисто отталкивательное, либо имеет очень мелкую яму на кривой потенциальной энергии. При переходе из устойчиво возбужденного состояния в неустойчивое молекула распадается. Поэтому при достаточно низких температурах нижнее состояние эксимерной молекулы не заселено и инверсия населенностей определяется населенностью только верхнего уровня. Основными представителями эксимерных лазе-

ров являются: ArF (λ = 190 нм), KrF (λ = 248 нм), XeF (λ = 351 нм) и XeCl (λ = 309 нм).

Идентифицировано четыре различных механизма возбуждения эксимерных молекул: реакция ассоциации (R* + 2R → R2* + R), гарпунные реакции (R* + F2 → RF + F), ион-ионная рекомбинация (R2+ + F- → RF* + R), фотодиссоциация (RF2 + hω → RF* + F). Тушение возбужденных состояний имеет место как в двух-, так и трехчастичных процессах.

Эксимерные лазеры на галогенидах инертных газов обычно накачиваются электрическим разрядом. Поскольку время жизни верхнего уровня сравнительно невелико, а также чтобы избежать образования дуги, необходимо обеспечить быструю накачку за время ≤ 20 нс. При мощности эксимерных лазеров 100 Вт и частоте повторения импульсов 500 Гц КПД достигается до 10 %.

Активная среда жидкостных лазеров представляет собой растворы соединений органических красителей в жидком растворителе. Лазерные красители можно разделить на следующие классы: 1) полиметиновые красители, генерирующие в ИК области (0,7–1,5 мкм); 2) ксантеновые красители – область генерации 500–700 нм; 3) кумариновые красители – область генерации 400–500 нм; 4) сцинтилляторные красители, генерирующие в УФ-диапазоне λ < 400 нм. Спектрально-люминесцентные свойства лазеров на красителях определяются структурой красителя и его взаимодействием с растворителем, а генерация осуществляется на электронно-

87

колебательных переходах, имеющих широкие полосы поглощения (до 100 см–1 ). Особым удобством жидкостных лазеров является то, что легко обеспечивается высокое оптическое качество активной среды и охлаждение путем ее прокачки. Кроме того, жидкость способна самовосстанавливаться, в отличие от твердотельных активных сред. Лазеры на красителях имеют больший коэффициент усиления, по сравнению с твердотельными лазерами, поскольку размеры молекул красителей намного больше размера ионов в кристаллах.

На рис. 5.7 приведена энергетическая диаграмма, типичная для красителей в растворе. Каждое электронное состояние состоит из серии колебательных и вращательных уровней. Расстояние между колебательными уровнями составляет 1 400–1 700 см–1 , а между вращательными уровнями – на два порядка меньше. Существенной особенностью спектров красителей в растворах является то, что в них имеются синглетные и триплетные состояния.

Рис. 5.7. Типичные энергетические уровни красителей в растворе (синглетные и триплетные состояния приведены отдельно)

88

Под действием внешнего излучения молекула красителя переходит из основного состояния S0 на один из колебательных уровней возбужденного состояния S1. За очень короткое время (~1 нс) молекула релаксирует на самый нижний колебательный уровень состояния S1. С этого уровня вследствие спонтанного излучения она переходит на высокорасположенный колебательный уровень основного состояния S0 и затем совершает безызлучательный переход на самый нижний колебательный уровень состояния S0. Однако существует множество безызлучательных релаксационных процессов, которые могут конкурировать с излучением света и снижать выход флуоресценции. Эти безызлучательные процессы можно разделить на внутреннюю конверсию (S1 → S0) и интеркомбинационную конверсию (синглет-триплетная конверсия S1 → Т1). Вследствие большого времени жизни (~10–3 с) триплетного состояния, поскольку радиационный переход T1 → S0 запрещен, молекулы красителя в течение процесса накачки накапливаются в триплетном состоянии Т1. Излучение возникает на запрещенном переходе Т1 → S0 с типичной спектральной шириной полосы красителя 30–50 нм.

Лазеры на красителе могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режиме. Оптическая схема импульсного лазера на красителе приведена на рис. 5.8.

M2

D

L

Kp

Пучок накачки

M1

Рис. 5.8. Оптическая схема лазера на красителе с поперечной накачкой: L – фокусирующая линза; М1 и М2 – зеркала резонатора;

D – дифракционная решетка; Кр – кювета с красителем

89